具有声-发射-传感器的传感元件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种为了简化测量任务而提出的、具有用于检测声发射（41)的声-发射-传感器（11)的传感元件（10)，其包括用于第二测量参量（42，45)的第二传感器（12)，该第二测量参量与声发射（41)不同。此外，给出一种具有用于检测声发射（41)的声-发射-传感器（11)的传感元件（10)，该传感元件包括用于接收外部传感信号(15，16)的接口（24，28)。
【专利说明】具有声-发射-传感器的传感元件
【技术领域】
[0001] 本发明从两个不同的方面分别定义了一种具有用于检测声发射的声-发射-传感 器的传感元件。此外，本发明涉及一种监测系统，尤其是一种腐蚀监测系统、轴承监测系统 或机器监测系统。
【背景技术】
[0002] 工业设备的状态监测越来越有意义。在下文中使用概念"声-发射"。在专业领域 中，该外语概念已成为技术的精确表达，该概念也将结构噪声包括在内，这种结构噪声不存 在于可逆的材料变化中，而仅存在于不可逆的材料变化中。对超声区域（声发射）内的结 构噪声的评估被看作为辨别材料缺陷和材料老化过程的工具。在一系列应用中，声发射提 供特殊的信号，该信号能够对所监测的过程做出推断，例如用于轴承监测、工具监测或腐蚀 监测。通常声-发射-信号本身并不提供足够明确的证据。例如，由于热膨胀，预热过程同 样会产生声-发射。
[0003] 典型地，用于检测声发射的传感器是具有宽频或共振特性的手动制造的压电-传 感器。可以得到用于一般的实验室应用或特殊应用的测量系统，例如工具机器上的工具监 测。这些系统仅评估声-发射-信号。单纯对所检测的声-发射-信号的评估对干扰信号 和误译很敏感。甚至在从上一级装置的声-发射-传感器中接收声-发射-数据后，可以 执行与其他测量参量的关联（例如借助计算机上的MATLAB)。然而，由此所需的设备很复杂 且昂贵，并且不适用于工业环境一体化。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，从两个方面分别给出具有声-发射-传感器的传感元件，通过 该传感元件可以简化对测量任务的执行。此外，本发明的目的为，给出一种监测系统，尤其 是一种腐蚀监测系统、轴承监测系统或机械监测系统，通过该监测系统可以简化对测量任 务的执行。
[0005] -方面，根据本发明该目的由此实现，即具有用于检测声发射的声-检测-传感器 的传感元件包括用于第二测量参量的第二传感器，该测量参量与声发射不同。由此，可以仅 通过一个传感器组件以低成本实现所安排的（精炼的）传感任务，并且至少部分地节省对 其他组件的开销，布线消耗和/或对后面的原始数据值的处理的支出。此外，以可靠地方式 确保对与声-发射-传感器的位置相关的第二传感器的精确定位。
[0006] 另一方面，该目的由此实现，即以本发明为根据的、具有用于检测声发射的声-发 射-传感器的传感元件包括用于接收外部传感信号的接口。所述外部传感信号例如可以由 转速传感器或其他的传感器提供，由于检测位置较远或由于结构的原因该传感器无法集成 在传感元件内。通常转速检测对于状态监测传感器（condition monitoring sensors)的 评估是有利的，因为可以通过对附加传感器的附加信息明显提高诊断质量。此外，借助对周 期性干扰参量的同步，转速检测可以改善对这些干扰参量的抑制。
[0007] 在监测系统方面，本发明的目的由此实现，即监测系统包括以本发明为根据的传 感元件。
[0008] 实施方式设置为，第二传感器是用于检测温度水平和/或温度梯度的温度传感 器，或第二传感器是用于检测振荡特性的振荡传感器，或第二传感器是用于检测磁场强度 和/或磁场方向的磁场传感器。振荡传感器可以表示为振荡传感器。可以根据监测任务来 选择传感器。
[0009] 为了测量磁场强度和/或磁场方向，可以应用例如3D-霍尔传感器。由此可以实 现对磁性指纹的检测，该磁性指纹表征一种机器状态。可以考虑不同的评估策略：评估机器 的本征磁场（例如发动机）和/或确定发动机或发电机的旋转磁场的磁场变化的转速。也 可以评估方向保持不变的磁场（"直流-磁场"）的调制，从而借助评估挡板的支路变化或 在安装转子时，确定直线式发动机的转子位置。在使用3D-磁场传感器的情况下，传感器相 对与磁场的指向并不重要，因为可以评估磁场矢量。
[0010] 传感元件的有利的改进方案包括用于检测温度水平、振荡特性和/或磁场强度和 /或磁场方向的第三传感器。
[0011] 在第一方面中，传感元件也包括接收外部传感信号的接口。由此得到的优点已经 阐述。
[0012] 优选地是，传感元件包括在考虑所述第二个测量参量和/或所述外部传感信号 下，用于借助评估声-发射-传感器的传感信号生成合并的和/或压缩的传感信号的评估 装置。该传感器可以包括一个或多个用于对测量参量的信号融合的算法。举例来说，算法 可以包括简单的阈值监测功能或具有计算两个测量参量相关性的功能。算法可以作为诊断 模块存在，其可以被单独地或共同地激活和/或去激活。
[0013] 特别优选地是，程序码能加载到评估装置和/或评估装置能执行程序码。因此，可 以将具体应用的评估算法单独地或彼此结合地加载至传感元件并且在此有选择地执行。可 以作如下设置，即程序码可以经由一个其他的或同一个接口作为程序码加载至传感元件。
[0014] 同样有利地是，评估装置被提供用于，执行信号间的关联，该关联可以由第一和第 二传感器和/或由第一和第三传感器和/或由第一和第四传感器和/或由第二至第四传感 器中的任一对检测得到。因此，可以提高由传感元件所选的状态特征值的可靠性。
[0015] 实施方式设置为，即评估装置被提供用于，执行外部信号与第一和/或第二和/或 第三和/或第四传感器的传感信号间的关联。因此，也可以提高由传感元件所选的状态特 征值的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 根据附图对本发明进行进一步阐述，其中：
[0017] 图1示意了传感元件的示意框图，并且
[0018] 图2不按比例地示意了可信度特征性随各个同样示意出的随时间改变的测量参 量的随时间变化的曲线。
【具体实施方式】
[0019] 下面进一步描述的实施例描绘了本发明的优选实施方式。
[0020] 图1所示的用于监测一个监测目标18的监测系统60包括位于上一级的监测装置 26和与之相连接的传感元件10。传感元件10包括多个用于检测物理上不同的测量参量的 传感器11，12,13,14, 一个数据检测电路20、一个评估测得的测量值51，52, 53, 54, 55的评 估装置22和一个与上一级监测装置26相连接的接口 24。
[0021] 所述第一传感器11是用于生成与所测声发射的强度和/或方向相关的电信号的 声-发射-传感器。第二传感器12是用于生成与所测得的温度水平和/或温度梯度的强 度和/或方向相关的电信号的温度传感器。第三传感器13是用于生成与所测得的振荡的 强度、频率和/或方向相关的电信号的振荡传感器。第四传感器14是用于生成与所测磁场 的强度和/或方向相关的电信号的磁场传感器。
[0022] 可选地，传感元件10还包括用于输入来自一个或多个外部传感器15的信号55的 接口 28。与之相独立地，来自外部传感器16的信号55也可以通过这样一个接口 24输入， 该接口设置为，在上一级监测装置26处与传感元件10相连接。一种对某些应用适用的实 施方式设置为，即夕卜部传感器15,16的接口 24,28可以用于输入来自转速传感器15,16的 转速信号55和/或来自轴承电流传感器15,16的轴承电流信号55。
[0023] 根据图2,现在来示例性地阐述一种轴承诊断，例如借助传感元件10,可以由多个 物理上各不相同的测量参量41，42,45的测量值51，52, 53, 54, 55生成可信度特征值46,该 可信度特征值可以用作所测得的声-发射-行为41的可用性和/或可行性的标准。假定 在实施例中，在正常工作相33下轴承18以接近恒定的正常工作转速450运行。轴承18刚 开始启动时，首先发生加速相31，在该相中转速42提高至正常工作转速450。紧接着加速 相31的是预热相32,虽然在该相中已经达到正常工作转速450,但是轴承18只是渐渐地向 正常工作温度420加热。因此，启动相包括一个加速相31和一个预热相32,其在时间上部 分重叠。在启动相31，32期间不执行轴承诊断。在启动相31，32之后的正常工作相33中， 转速42接近恒定。因此在启动相31，32中，温度变化不是由转速变化引起的。在正常工作 相33的准稳态状态下，可以执行轴承诊断，其产生可信的结果。在实施例中，在正常工作相 33的结束点34,可以观察到声发射41的强烈上升及温度42由弱变强地上升。同时发生的 声发射41的强烈上升与可察觉的温度上升相结合能够导致越来越严重的轴承磨损。对此， 可以在传感元件10中使用上述方法，及时地生成一个警示信号（具有相应的状态特征值）， 从而开始维护措施。
[0024] 可以对传感元件10进行灵活参量化，从而实现评估方法与监测目标18的具体应 用（例如泵、轴承、变速器、通风压缩机监测）之间的匹配。对此，分别与声-发射-信号51 相融合的数据52, 53, 54, 55确定了相应的融合方法和加权规则和/或加权权重。下面对各 种根据具体应用而不同的方法进一步说明。
[0025] 例如对泵的气穴识别：目的是将声发射-识别与温度识别相融合，因为气穴与温 度非常相关。为了将气穴源局域化，需要对泵转速45进行同步。对此，可以设置外部转速输 入端28、网络信号（例如PTP-电报信号）或传感元件10的磁场传感器14的评估器（PTP =precision time protocol)。传感元件10的振荡传感器13的信号53描述了声强度的 指示器。当附加信号53具有较高强度时，声-发射-信号51的可信度46升高，其表明，需 要将泵18关闭。这种可信度46 (以几率的形式）可以用作泵18的状态特征值的附加信息。
[0026] 例如轴承诊断：在轴承18中由于机器组件18的热膨胀，声发射发生在加速相31 期间的高频区域。单独考虑这种情况，会引起如表面上的很强的轴承损坏。实际上则不会 有实际的损坏信号，而是由于升温而膨胀时的材料松弛。为了判断是否存在轴承损坏或轴 承损伤而进行的有意义的声-发射-评估，只有在热学温度状态下才能实现。通过一个附 加的温度传感器12对预热过程的识别和监测是有意义的，从而避免在冷却状态下的快速 加速。过强的升温会导致轴承间隙（轴承空气）的减小并且导致轴承18 "卡住"。通过将 温度检测与声-发射-检测的融合，也可以得出润滑剂的黏度和摩擦方式。
[0027] 例如发动机轴承的轴承电流：轴承电流同样由声发射41表示。声发射41典型地 与发动机振荡相关联，因为轴承18中的放电始终发生在特别高的振荡幅度下（这时轴承间 隙达到最小）。磁场传感器14也同样可以在轴承电流有情况时提供信号。通过以本发明为 根据的传感元件10可以对轴承电流的类型进行分类：
[0028] ?声发射41和温度升高是欧姆轴承电流或轴承电流被火花侵蚀的标志。
[0029] ?带有火花侵蚀的轴承电流电弧大部分发生在设备的低频振荡时。在此，调整润滑 间隙厚度，并且在轴承电流有情况时，出现声发生41及磁场脉冲。存在的损伤（外环上形 成褶皱并且之后内环多边化）可以用低频振荡传感器13识别。
[0030] 借助在检测装置22中对声-发射-数据51、温度数据52和振荡数据53 (也有可 能是磁场数据54和转速数据55,后者例如借助磁场测量）的共同评估，可以得到监测目标 18的轴承电流损坏和状态的变化曲线。作为替代地或附加地，除了转速数据55,在共同评 估中还可以将来自外部轴承电流监测器15,16的数据用作外部数据信号55。
[0031] 优选地，传感元件10包括数字接口 24。有利地是，该接口 24支持有线连接或无线 数据连接的接口标准（例如以太网-标准如快速-以太网-物理层、CAD-标准、WLAN-标准 和/或Bluetooth)。另外有效的是，通过数字接口 24不仅可以与状态监测结构26进行通 信，还可以与具体的应用相匹配。在此，可以通过数字接口 24来传输具有或没有时间戳的 信号。对有时间戳的信号的传输可以实现与其他系统元件的同步。作为其他的可能附加应 用，可以借助时间戳和多个传感器（例如位于泵的头部）实现信号源关于幅度变化曲线或 时间变化曲线的局域化。
[0032] 可以作如下设置，即在正常工作模式下传输或在内部存储特征值。存储可以在环 形缓冲区实现。优化方案可以作如下设置，即生成带有被压缩的最早（aeltesten)的值的 柱状图。
[0033] 在有损坏的情况发生时，可以进行细节评估。对此，传输以高分辨率接收的对测量 数据51，52, 53, 54, 55的"快拍"。在此，可以利用数据压缩。
[0034] 以本发明为根据的传感元件10与已知的传感元件的区别在于下述特征中的一个 或多个：
[0035] -在传感组件10中（在集成的传感组件中）支持用于声发射的传感技术与附加参 量的融合，其中所述附加参量例如是振荡、温度42和/或磁场。
[0036] -传感元件10具有一种集成的可改进的、用于融合测量参量和得到附加信息（例 如一种磁场变化的转速信息45)的算法。
[0037] -借助对所监测的状态数据51，52, 53, 54, 55的可信度监测，确定发生合并的状态 特征值的几率46,并且从多个可能的状态特征值中选出一个作为结果，并且通过上一级监 测装置26的接口 24提供传感元件10的传感器输出。
[0038] 以本发明为根据的传感元件10相对于已知的传感元件具有下述优点中的一个或 多个：
[0039] -可以对各种测量任务进行传感元件10 (集成的测量系统）的简单修改。
[0040] -集成的磁场传感器14可以实现对磁场的转速的识别-对此无需与变频器进行通 信。
[0041] -可以以较小成本对传感元件10进行改进，并且其安装成本较小。
[0042] -通过与其他的测量参量融合，可以实现对声-发射-信号51的可信度测试。传 感元件10面对声-发射-信号51的误译是耐用的。
[0043] -由于各种物理参量41，42,45的局域融合，传感元件中（在集成的传感元件中） 的数据接收减少。
[0044] -布线成本降低，由此也改善了监测系统60的可靠性。
[0045] -降低了用于子系统（通信接口、微处理器…）的一体化和重复利用的系统成本。
[0046] -传感元件10的适应性减少了类型多样性和组件多样性，并且可以实现高产量。
[0047] 标注列表
[0048] 10传感元件
[0049] 11声发射传感器
[0050] 12温度传感器
[0051] 13振荡传感器
[0052] 14磁场传感器
[0053] 15外部传感器；转速传感器
[0054] 16外部传感器；转速传感器
[0055] 18监测目标
[0056] 20数据检测电路
[0057] 22评估装置
[0058] 24传感元件接口
[0059] 26上一级监测装置 [0060] 28外部传感器接口
[0061] 31加速相
[0062] 32预热相
[0063] 33正常工作相
[0064] 34正常工作相结束点
[0065] 41声发射
[0066] 42 温度
[0067] 45 转速
[0068] 46可信度
[0069] 51声发射信号
[0070] 52温度数据
[0071] 53振荡数据
[0072] 54磁场数据
[0073] 55外部传感信号；转速数据
[0074] 60监测系统
[0075] 420正常工作温度
[0076] 450正常工作转速
[0077] t 时间
【权利要求】
1. 一种具有用于检测声发射（41)的声-发射-传感器（11)的传感元件（10)，其特征 在于，所述传感元件（10)包括用于第二测量参量（42,45)的第二传感器（12,13,14)，所述 第二测量参量与声发射（41)不同。
2. 根据权利要求1所述的传感元件（10)，其特征在于，所述第二传感器是用于检测温 度水平（42)和/或温度梯度的温度传感器，或者所述第二传感器是用于检测振荡特性的 振荡传感器（13)，或者所述第二传感器是用于检测磁场强度和/或磁场方向的磁场传感器 (14)。
3. 根据权利要求2所述的传感元件（10)，其特征在于，具有用于检测温度水平（42)、振 荡特性和/或磁场强度和/或磁场方向的第三传感器（12,13,14)。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的传感元件（10)，其特征在于，具有用于接收外 部传感器信号（55)的接口（28)。
5. -种具有用于检测声发射（41)的声-发射-传感器（11)的传感元件（10)，其特征 在于，所述传感元件（10)包括用于接收外部传感信号（55)的接口（28)。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的传感元件（10)，其特征在于，在考虑所述第二 测量参量（52, 53, 54)和/或所述外部传感信号（55)下，所述传感元件（10)包括用于借助 评估所述声-发射-传感器（11)的传感信号（51)生成合并的和/或压缩的传感信号的评 估装置（22)。
7. 根据权利要求6所述的传感元件（10)，其特征在于，具有评估装置（22)，程序码能加 载到所述评估装置和/或在所述评估装置中能执行程序码。
8. 根据权利要求6或7所述的传感元件（10)，其特征在于，所述评估装置（22)被提供 用于进行信号（51，52,53,54)间的关联，所述关联能从所述第一传感器（11)和所述第二传 感器（12)和/或从所述第一传感器（11)和所述第三传感器（13)和/或从所述第一传感 器（11)和第四传感器（13)和/或从所述第二传感器（12)至所述第四传感器（13)中的一 对来检测。
9. 根据权利要求6至8中任一项所述的传感元件（10)，其特征在于，所述评估装置 (22)被提供用于进行所述外部传感信号（55)与所述第一传感器（11)和/或所述第二传感 器（12)和/或所述第三传感器（13)和/或所述第四传感器（14)的传感信号（51)间的关 联。
10. -种监测系统（60)，尤其是腐蚀监测系统、轴承监测系统或机械监测系统，其特征 在于，具有根据权利要求1至9的传感元件（10)。
【文档编号】G01M15/05GK104220870SQ201280072345
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2012年4月12日 优先权日:2012年4月12日
【发明者】汉斯-亨宁·克洛斯, 阿尔诺·哈施克, 迪尔克·沙伊布纳, 于尔根·席默尔, 罗纳德·威格尔 申请人:西门子公司